DE112017005657B4 - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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    • H01L2924/15747—Copper [Cu] as principal constituent

Abstract

Halbleitervorrichtung, bei der ein Montageelement (2), das eine Elektrode (21, 22) aufweist, elektrisch und mechanisch mit einem leitenden Element (1, 3) über ein Verbindungselement (5, 6) verbunden ist, wobei die Halbleitervorrichtung aufweist:das Montageelement, das die Elektrode aufweist;das leitende Element, das der Elektrode zugewandt angeordnet ist; unddas Verbindungselement, das zwischen dem Montageelement und dem leitenden Element angeordnet ist und die Elektrode und das leitende Element elektrisch und mechanisch miteinander verbindet, wobeidas Verbindungselement aus einem gesinterten Körper besteht, bei dem ein zusätzliches Teilchen (9), das ein Metallatom enthält, das eine höhere Aggregationsenergie als ein Silberatom aufweist, zu einem Silberteilchen (8) hinzugefügt ist, unddas zusätzliche Teilchen aus einem Oxid oder einem Carbid des Metallatoms besteht.A semiconductor device in which a mounting member (2) having an electrode (21, 22) is electrically and mechanically connected to a conductive member (1, 3) via a connecting member (5, 6), the semiconductor device comprising: the mounting member comprising the electrode;the conductive element arranged to face the electrode; andthe connecting member which is arranged between the mounting member and the conductive member and electrically and mechanically connects the electrode and the conductive member to each other, whereinthe connecting member consists of a sintered body in which an additional particle (9) containing a metal atom containing a has higher aggregation energy than a silver atom, is added to a silver particle (8), and the additional particle consists of an oxide or a carbide of the metal atom.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, in der ein Montageelement, das eine Elektrode aufweist, mit einem leitenden Element über ein Verbindungselement verbunden ist.The present invention relates to a semiconductor device in which a mounting member having an electrode is connected to a conductive member via a connecting member.

Stand der TechnikState of the art

Es sind die folgenden Halbleitervorrichtungen dieser Art von Halbleitervorrichtung bekannt (siehe beispielsweise JP 2014 - 127 535 A ). Das heißt, in dieser Halbleitervorrichtung wird ein Halbleiter-Chip als ein Montageelement verwendet, und eine Elektrode wird auf dem Halbleiter-Chip angeordnet. Der Halbleiter-Chip ist derart angeordnet, dass die Elektrode dem leitenden Element zugewandt ist, und die Elektrode ist mit dem leitenden Element über das Verbindungselement elektrisch verbunden. Das Verbindungselement besteht aus einem gesinterten Ag-Körper, in dem nur Silber-Teilchen (im Folgenden wird Silber einfach als Ag bezeichnet) gesintert sind.The following semiconductor devices of this type of semiconductor device are known (see, for example, JP 2014 - 127 535 A ). That is, in this semiconductor device, a semiconductor chip is used as a mounting member, and an electrode is placed on the semiconductor chip. The semiconductor chip is arranged such that the electrode faces the conductive member, and the electrode is electrically connected to the conductive member via the connector. The connecting member consists of a sintered Ag body in which only silver particles (hereinafter, silver is simply referred to as Ag) are sintered.

Die WO 2015 / 060 173 A1 offenbart Sinterverfahren mit Silberpasten mit kleineren und größeren Silberteilchen, aber auch anderen metallischen Teilchen aus V, Nb, Mo oder W.The WO 2015 / 060 173 A1 discloses sintering processes with silver pastes with smaller and larger silver particles, but also other metallic particles made of V, Nb, Mo or W.

Die DE 10 2012 222 791 A1 offenbart Sinterverfahren mit Silberpasten mit 75 Gew% Silber und metallischen oder keramischen Hilfsstoffen, wobei die keramischen Hilfsstoffe unter anderem Oxide von Aluminium oder Beryllium oder Carbide von Bor sein können, um die Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten.The DE 10 2012 222 791 A1 discloses sintering processes using silver pastes with 75% by weight silver and metallic or ceramic auxiliaries, the ceramic auxiliaries being, inter alia, oxides of aluminum or beryllium or carbides of boron in order to ensure thermal conductivity.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die Erfinder haben jedoch eine Halbleitervorrichtung studiert, die ein Verbindungselement aufweist, das aus einem derartigen gesinterten Ag-Körper besteht. Es hat sich daraus ergeben, dass, wenn die Halbleitervorrichtung während einer langen Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wird, große Leerstellen bzw. Fehlstellen in dem Verbindungselement ausgebildet werden. Wie es in den 7A und 7B gezeigt ist, gibt es in dem Fall, in dem das Verbindungselement J5 aus einem gesinterten Ag-Körper ausgebildet ist, sogar in dem Anfangszustand eine Mikro-Leerstelle V. Nachdem die Vorrichtung eine lange Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wurde, wurde bestätigt, dass eine große Anzahl von großen Leerstellen V ausgebildet wurden. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen durch eine Diffusion von Ag-Teilchen (das heißt von Ag-Atomen) verursacht wird, wenn das Verbindungselement eine lange Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wird. Aus diesem Grund kann sich in einer Umgebung, in der eine derartige Halbleitervorrichtung während einer langen Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wird, die Verbindungsfestigkeit des Elementes verringern, und es besteht die Möglichkeit, dass sich das Verbindungselement verschlechtert.However, the inventors have studied a semiconductor device having a connecting member made of such Ag sintered body. As a result, when the semiconductor device is kept at a high temperature for a long time, large voids are formed in the connection member. Like it in the 7A and 7B 1, in the case where the connecting member J5 is formed of Ag sintered body, there is a micro-void V even in the initial state. After the device was kept at a high temperature for a long time, it was confirmed that a large number of large vacancies V were formed. This phenomenon is considered to be caused by diffusion of Ag particles (ie, Ag atoms) when the fastener is held at a high temperature for a long time. For this reason, in an environment where such a semiconductor device is kept at a high temperature for a long time, the connection strength of the member may decrease, and there is a possibility that the connection member may deteriorate.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei der eine Verschlechterung eines Verbindungselementes sogar dann verhindert wird, wenn die Vorrichtung während einer langen Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wird. Die Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.It is an object of the present invention to provide a semiconductor device in which deterioration of a connecting element is prevented even when the device is kept at a high temperature for a long time. The object is achieved by a semiconductor device having the features of claim 1 and by a method for manufacturing a semiconductor device having the features of claim 4. The dependent claims are directed to advantageous developments of the invention.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Halbleitervorrichtung: ein Montageelement, das eine Elektrode aufweist; ein leitendes Element, das der Elektrode zugewandt angeordnet ist; und ein Verbindungselement, das zwischen dem Montageelement und dem leitenden Element angeordnet ist und die Elektrode und das leitende Element elektrisch und mechanisch miteinander verbindet. Das Verbindungselement besteht aus einem gesinterten Körper, in dem ein zusätzliches Teilchen, das ein Metallatom enthält, das eine höhere Aggregationsenergie als ein Silberatom aufweist, zu einem Silberteilchen hinzugefügt ist.According to an aspect of the present invention, a semiconductor device includes: a mounting member having an electrode; a conductive element arranged to face the electrode; and a connecting member that is disposed between the mounting member and the conductive member and electrically and mechanically connects the electrode and the conductive member to each other. The connecting member consists of a sintered body in which an additional particle containing a metal atom having a higher aggregation energy than a silver atom is added to a silver particle.

Da das Verbindungselement aus einem gesinterten Körper besteht, in dem das zusätzliche Teilchen, das das Metallatom enthält, das eine höhere Aggregationsenergie als das Silberatom aufweist, hinzugefügt ist, wird sogar dann, wenn dieses während einer langen Zeit bei einer hohen Temperatur verwendet wird, eine Diffusion des Silberatoms durch das Metallatom in dem zusätzlichen Teilchen verhindert. Daher ist es in der Halbleitervorrichtung möglich, zu verhindern, dass sich die Verbindungsfestigkeit durch eine große Leerstelle, die innerhalb des Verbindungselementes ausgebildet wird, verringert, und es ist möglich, eine Verschlechterung des Verbindungselementes zu verhindern.Since the connecting member consists of a sintered body in which the additional particle containing the metal atom having a higher aggregation energy than the silver atom is added, even if it is used at a high temperature for a long time, a Diffusion of the silver atom through the metal atom in the additional particle is prevented. Therefore, in the semiconductor device, it is possible to prevent the connection strength from being lowered by a large void formed inside the connection member, and it is possible to prevent deterioration of the connection member.

Figurenlistecharacter list

  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. 1 14 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines ersten Verbindungselementes zeigt, das in 1 gezeigt ist. 2 12 is a schematic view showing a configuration of a first connector used in FIG 1 is shown.
  • 3A ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Anfangszustands des ersten Verbindungselementes, das aus einem Silberteilchen unter Hinzufügung eines WO3-Teilchens ausgebildet wird, auf der Grundlage einer SEM-Fotografie zeigt. 3A Fig. 12 is a diagram showing a binary view of an initial state of the first ver bonding member formed from a silver particle with addition of a WO 3 particle based on an SEM photograph.
  • 3B ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Zustands des ersten Verbindungselementes, das aus dem Silberteilchen unter Hinzufügung des WO3-Teilchens nach einem Halten bei 205°C während 500 Stunden ausgebildet wird, auf der Grundlage der SEM-Fotografie zeigt. 3B 12 is a diagram showing a binary view of a state of the first connecting member formed from the silver particle with addition of the WO 3 particle after being kept at 205°C for 500 hours, based on the SEM photograph.
  • 4A ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Anfangszustands des ersten Verbindungselementes, das aus dem Silberteilchen unter Hinzufügung eines WC-Teilchens ausgebildet wird, auf der Grundlage einer SEM-Fotografie zeigt. 4A 12 is a diagram showing a binary view of an initial state of the first connecting member formed from the silver particle with addition of a WC particle, based on an SEM photograph.
  • 4B ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Zustands des ersten Verbindungselementes, das aus dem Silberteilchen unter Hinzufügung des WC-Teilchens nach einem Halten auf 205°C während 500 Stunden ausgebildet wird, auf der Grundlage der SEM-Fotografie zeigt. 4B 12 is a diagram showing a binary view of a state of the first connecting member formed from the silver particle with addition of the WC particle after being kept at 205°C for 500 hours, based on the SEM photograph.
  • 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Atom und einer Aggregationsenergie zeigt. 5 Fig. 12 is a diagram showing a relationship between an atom and an aggregation energy.
  • 6A ist ein Diagramm, das eine Änderung einer Verbindungsfestigkeit eines herkömmlichen Verbindungselementes zeigt, das nur durch das Ag-Teilchen ausgebildet wird. 6A Fig. 12 is a graph showing a change in connection strength of a conventional connection member formed only by the Ag particle.
  • 6B ist ein Diagramm, das eine Änderung einer Verbindungsfestigkeit des ersten Verbindungselementes zeigt, das durch das Ag-Teilchen unter Hinzufügung des WO3-Teilchens ausgebildet wird. 6B FIG. 14 is a graph showing a change in bonding strength of the first bonding member formed by the Ag particle with addition of the WO 3 particle.
  • 6C ist ein Diagramm, das eine Änderung einer Verbindungsfestigkeit des Verbindungselementes zeigt, das durch das Ag-Teilchen unter Hinzufügung des WC-Teilchens ausgebildet wird. 6C FIG. 14 is a graph showing a change in a bonding strength of the bonding member formed by the Ag particle with the addition of the WC particle.
  • 7A ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Anfangszustands des herkömmlichen Verbindungselementes, das nur durch das Ag-Teilchen ausgebildet wird, auf der Grundlage einer SEM-Fotografie zeigt. 7A 14 is a diagram showing a binary view of an initial state of the conventional connecting member formed only by the Ag particle based on an SEM photograph.
  • 7B ist ein Diagramm, das eine binäre Ansicht eines Zustands des herkömmlichen Verbindungselementes, das nur durch das Ag-Teilchen nach einem Halten auf 250°C während 500 Stunden ausgebildet wird, auf der Grundlage einer SEM-Fotografie zeigt. 7B 14 is a diagram showing a binary view of a state of the conventional connecting member formed only by the Ag particle after being kept at 250° C. for 500 hours, based on an SEM photograph.

Ausführungsformen zum Ausführen der ErfindungEmbodiments for carrying out the invention

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen werden dieselben oder äquivalenten Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.

(Erste Ausführungsform)(First embodiment)

Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform ist ein Halbleiter-Chip 2 auf einem ersten Wärmeabgabeelement 1 montiert, und ein zweites Wärmeabgabeelement 4 ist auf dem Halbleiter-Chip 2 über einen dazwischenliegenden Wärmeabgabeblock 3 angeordnet, wie es in 1 gezeigt ist. Außerdem ist ein erstes Verbindungselement 5 zwischen dem ersten Wärmeabgabeelement 1 und dem Halbleiter-Chip 2 angeordnet. Zwischen dem Halbleiter-Chip 2 und dem Wärmeabgabeblock 3 ist ein zweites Verbindungselement 6 angeordnet. Ein drittes Verbindungselement 7 ist zwischen dem Wärmeabgabeblock 3 und dem zweiten Wärmeabgabeelement 4 angeordnet.A first embodiment will be described below with reference to the drawings. In the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor chip 2 is mounted on a first heat-radiating element 1, and a second heat-radiating element 4 is arranged on the semiconductor chip 2 via an intervening heat-radiating block 3, as shown in FIG 1 is shown. In addition, a first connecting element 5 is arranged between the first heat dissipation element 1 and the semiconductor chip 2 . A second connection element 6 is arranged between the semiconductor chip 2 and the heat dissipation block 3 . A third connection element 7 is arranged between the heat-emitting block 3 and the second heat-emitting element 4 .

In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen das erste Wärmeabgabeelement 1 und der Wärmeabgabeblock 3 einem leitenden Element, der Halbleiter-Chip 2 entspricht einem Montageelement, und das erste Verbindungselement 5 und das zweite Verbindungselement 6 entsprechen einem Verbindungselement.In the present embodiment, the first heat releasing member 1 and the heat releasing block 3 correspond to a conductive member, the semiconductor chip 2 corresponds to a mounting member, and the first connection member 5 and the second connection member 6 correspond to a connection member.

In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Halbleiter-Chip 2 ein Halbleitersubstrat 20, das eine Oberfläche 20a und eine andere Oberfläche 20b aufweist, die entgegengesetzt zu der einen Oberfläche 20a ist. Auf dem Halbleitersubstrat 20 sind Halbleiterelemente wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (das heißt IGBT) und ein MOSFET (das heißt Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor) ausgebildet. Auf dem Halbleitersubstrat 20 ist eine Elektrode 21 der einen Oberfläche, die mit dem Halbleiterelement elektrisch zu verbinden ist, auf der Seite der einen Oberfläche 20a ausgebildet, und eine Elektrode 22 der anderen Seite, die mit dem Halbleiterelement elektrisch verbunden ist, ist auf der Seite der anderen Oberfläche 20b ausgebildet. Auch wenn es nicht speziell gezeigt ist, ist eine Gate-Anschlussfläche auf der Seite der Oberfläche 20a des Halbleitersubstrats 20 ausgebildet, und die Gate-Anschlussfläche ist mit dem Gate-Anschluss über einen Verbindungsdraht elektrisch verbunden.In the present embodiment, the semiconductor chip 2 includes a semiconductor substrate 20 having one surface 20a and another surface 20b opposite to the one surface 20a. On the semiconductor substrate 20, semiconductor elements such as an insulated gate bipolar transistor (ie, IGBT) and a MOSFET (ie, metal oxide semiconductor field effect transistor) are formed. On the semiconductor substrate 20, a one-surface electrode 21 to be electrically connected to the semiconductor element is formed on the one-surface 20a side, and an other-side electrode 22 to be electrically connected to the semiconductor element is on the side the other surface 20b is formed. Although not specifically shown, a gate pad is formed on the surface 20a side of the semiconductor substrate 20, and the gate pad is electrically connected to the gate terminal via a bonding wire.

Der Wärmeabgabeblock 3 ist zwischen dem Halbleiter-Chip 2 und dem zweiten Wärmeabgabeelement 4 angeordnet, um den Halbleiter-Chip 2 und das zweite Wärmeabgabeelement 4 elektrisch und mechanisch miteinander zu verbinden. Der Wärmeabgabeblock 3 besteht beispielsweise aus Kupfer (das heißt Cu), das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten oder Ähnliches aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Wärmeabgabeblock 3 eine rechteckige Gestalt auf. Der Wärmeabgabeblock 3 ist elektrisch, thermisch und mechanisch mit der Elektrode 21 der einen Oberfläche auf der Seite der einen Oberfläche 20a des Halbleiter-Chips 2 über das zweite Verbindungselement 6 verbunden und ist elektrisch, thermisch und mechanisch mit dem zweiten Wärmeabgabeelement 4 über das dritte Verbindungselement 7 verbunden.The heat releasing block 3 is arranged between the semiconductor chip 2 and the second heat releasing element 4 to electrically surround the semiconductor chip 2 and the second heat releasing element 4 and connect them mechanically. The heat releasing block 3 is made of, for example, copper (ie, Cu), which has high electrical conductivity and a high heat transfer coefficient, or the like. In the present embodiment, the heat releasing block 3 has a rectangular shape. The heat releasing block 3 is electrically, thermally and mechanically connected to the one surface electrode 21 on the one surface 20a side of the semiconductor chip 2 via the second connection member 6 and is electrically, thermally and mechanically connected to the second heat releasing member 4 via the third connection member 7 connected.

Das erste Wärmeabgabeelement 1 und das zweite Wärmeabgabeelement 4 dienen als Wärmeabgabeplatte, die die Wärme, die in dem Halbleiter-Chip 2 erzeugt wird, über einen großen Bereich verbreitet und abgibt. Das erste Wärmeabgabeelement 1 und das zweite Wärmeabgabeelement 4 sind beispielsweise aus Kupfer, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten aufweist, als eine Basis ausgebildet und weisen eine Struktur auf, bei der eine Goldplattierung oder Ähnliches nach Bedarf auf der Oberfläche aufgebracht ist.The first heat release member 1 and the second heat release member 4 serve as a heat release plate that spreads and releases the heat generated in the semiconductor chip 2 over a wide area. The first heat releasing member 1 and the second heat releasing member 4 are formed of, for example, copper having high electrical conductivity and high heat transfer coefficient as a base, and have a structure in which gold plating or the like is applied to the surface as needed.

Das erste Wärmeabgabeelement 1 ist elektrisch, thermisch und mechanisch mit der Elektrode 22 der anderen Oberfläche des Halbleiter-Chips 2 über das erste Verbindungselement 5 verbunden und weist zusätzlich zu der Funktion einer Wärmeabgabeplatte eine Funktion als Verdrahtung auf, die mit der Elektrode 22 der anderen Oberfläche verbunden ist. Auf ähnliche Weise ist das zweite Wärmeabgabeelement 4 mit der Elektrode 21 der einen Oberfläche des Halbleiter-Chips 2 über den Wärmeabgabeblock 3 elektrisch verbunden, und das zweite Wärmeabgabeelement 4 dient zusätzlich zu seiner Funktion als Wärmeabgabeplatte als Verdrahtung, die mit der Elektrode 21 der einen Oberfläche verbunden ist.The first heat releasing member 1 is electrically, thermally and mechanically connected to the other surface electrode 22 of the semiconductor chip 2 via the first connecting member 5 and has a function as wiring connected to the other surface electrode 22 in addition to the function of a heat releasing plate connected is. Similarly, the second heat emitter 4 is electrically connected to the one surface electrode 21 of the semiconductor chip 2 via the heat emitter block 3, and the second heat emitter 4 serves as wiring connected to the one surface electrode 21 in addition to its function as a heat emitter plate connected is.

Oben wurde eine Basiskonfiguration der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Im Folgenden wird die Konfiguration des ersten Verbindungselementes 5 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform weisen das zweite Verbindungselement 6 und das dritte Verbindungselement 7 dieselbe Struktur wie das erste Verbindungselement 5 auf.A basic configuration of the semiconductor device of the present embodiment has been described above. The configuration of the first connector 5 of the present embodiment will be described below. In the present embodiment, the second connector 6 and the third connector 7 have the same structure as the first connector 5 .

Wie es in 2 gezeigt ist, besteht das erste Verbindungselement 5 aus einem gesinterten Körper, in dem die zusätzlichen Teilchen 9 zu den Ag-Teilchen 8 hinzugefügt sind, und die zusätzlichen Teilchen 9 bestehen aus einem Oxid oder Carbid von Wolfram (im Folgenden einfach als W bezeichnet), das eine höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweist, die die Ag-Teilchen 8 bilden.like it in 2 As shown, the first connecting member 5 is made of a sintered body in which the additional particles 9 are added to the Ag particles 8, and the additional particles 9 are made of an oxide or carbide of tungsten (hereinafter referred to simply as W), which has a higher aggregation energy than Ag atoms constituting the Ag particles 8 .

Wie es in 7B gezeigt ist, wird, wenn das Verbindungselement J5, das aus einem gesinterten Körper besteht, der nur Ag-Teilchen enthält, während einer langen Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten wird, eine große Leerstelle bzw. Fehlstelle V innerhalb desselben ausgebildet. Daher haben die Erfinder berücksichtigt, dass eine Diffusion von Ag-Atomen durch Hinzufügen von zusätzlichen Teilchen, die Metallatome enthalten, die eine höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweisen, zu den Ag-Teilchen verhindert wird, und es wurden die in den 3A, 3B, 4A und 4B gezeigten experimentellen Ergebnisse erhalten. Die 3A und 3B zeigen die experimentellen Ergebnisse eines Falls, in dem Wolframoxid-Pulver (im Folgenden wird Wolframoxid einfach als WO3 bezeichnet), das eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,9 µm aufweist, mit zwei Gewichtsprozent zu dem Pulver der Ag-Teilchen 8 hinzugefügt wurde, die einen mittleren Teilchendurchmesser von etwa 1 µm bis 10 µm aufweisen. Die 4A und 4B zeigen die experimentellen Ergebnisse eines Falls, in dem Wolframcarbid-Pulver (im Folgenden wird Wolframcarbid einfach als WC bezeichnet), das eine mittlere Teilchengröße von 0,11 µm aufweist, mit zwei Gewichtsprozent zu dem Pulver der Ag-Teilchen 8 hinzugefügt wird, die einen mittleren Teilchendurchmesser von etwa 1 µm bis 10 µm aufweisen. Wie es in 5 gezeigt ist, ist W ein Metallatom, dessen Aggregationsenergie ausreichend höher als die Aggregationsenergie des Ag-Atoms ist.like it in 7B 1, when the joining member J5, which is made of a sintered body containing only Ag particles, is kept at a high temperature for a long time, a large void V is formed inside the same. Therefore, the inventors considered that diffusion of Ag atoms is prevented by adding additional particles containing metal atoms, which have higher aggregation energy than Ag atoms, to the Ag particles, and the methods described in FIGS 3A , 3B , 4A and 4B obtained experimental results shown. The 3A and 3B show the experimental results of a case where tungsten oxide powder (hereinafter tungsten oxide is simply referred to as WO 3 ) having an average particle size of about 0.9 µm was added to the powder of the Ag particles 8 by 2% by weight, which have an average particle diameter of about 1 micron to 10 microns. The 4A and 4B show the experimental results of a case where tungsten carbide powder (hereinafter, tungsten carbide is simply referred to as WC) having an average particle size of 0.11 μm is added by 2% by weight to the powder of the Ag particles 8, the one have an average particle diameter of about 1 micron to 10 microns. like it in 5 shown, W is a metal atom whose aggregation energy is sufficiently higher than the aggregation energy of Ag atom.

Wie es in 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt ist, werden die folgenden Ergebnisse erhalten, wenn das erste Verbindungselement 5 durch Hinzufügen von zusätzlichen WO3-Teilchen oder WC-Teilchen 9 zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird. Das heißt, sogar wenn das erste Verbindungselement 5 während 500 Stunden auf 250°C gehalten wird, kann bestätigt werden, dass im Vergleich zu der Leerstelle V des Anfangszustands keine große Leerstelle V ausgebildet wird. In der folgenden Beschreibung wird der Zustand nach dem Halten auf 250°C während 500 Stunden auch als Nachdauerzustand bezeichnet.like it in 3A , 3B , 4A and 4B 1, when the first connecting member 5 is formed by adding WO 3 particles or WC particles 9 to the Ag particles 8, the following results are obtained. That is, even if the first connecting member 5 is kept at 250°C for 500 hours, it can be confirmed that a large vacancy V is not formed compared to the vacancy V of the initial state. In the following description, the state after being held at 250°C for 500 hours is also referred to as the post-duration state.

Wie es in 6A gezeigt ist, wird bestätigt, dass die Verbindungsfestigkeit des Verbindungselementes, das nur die Ag-Teilchen enthält, in dem Nachdauerzustand niedriger als in dem Anfangszustand ist. Wie es andererseits in 6B gezeigt ist, wird bestätigt, dass das erste Verbindungselement 5, das durch Hinzufügen der WO3-Teilchen zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird, eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit in dem Nachdauerzustand im Vergleich zu dem Anfangszustand verhindern kann. Wie es in 6C gezeigt ist, wird ebenfalls bestätigt, dass das erste Verbindungselement 5, das durch Hinzufügen der WC-Teilchen zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird, ebenfalls eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit in dem Nachdauerzustand im Vergleich zu dem Anfangszustand verhindern kann.like it in 6A is shown, it is confirmed that the joining strength of the joining member containing only the Ag particles is lower in the post-duration state than in the initial state. As it is on the other hand in 6B 1, it is confirmed that the first joining member 5 formed by adding the WO 3 particles to the Ag particles 8 can prevent a reduction in joining strength in the post-permanent state compared to the initial state. like it in 6C is shown, it is also confirmed that the first joining member 5 formed by adding the WC particles to the Ag particles 8 can also prevent a reduction in joining strength in the post-permanent state compared to the initial state.

Anhand dieser Zeichnungen wird bestätigt, dass, wenn das erste Verbindungselement 5 durch Hinzufügen der zusätzlichen Teilchen 9, die W-Atome enthalten, die eine höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweisen, zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird, die Ausbildung einer großen Leerstelle V innerhalb desselben eingeschränkt wird und eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit verhindert wird. Dieses Ergebnis resultiert vermutlich aus einer Aggregation von Ag-Atomen um die W-Atome durch Hinzufügen der zusätzlichen Teilchen 9, die W-Atome enthalten, die eine höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweisen.From these drawings, it is confirmed that when the first connecting member 5 is formed by adding the additional particles 9 containing W atoms, which have higher aggregation energy than Ag atoms, to the Ag particles 8, the formation of a large void V within the same is restricted and a reduction in connection strength is prevented. This result presumably results from aggregation of Ag atoms around the W atoms by adding the additional particles 9 containing W atoms which have higher aggregation energy than Ag atoms.

In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die zusätzlichen Teilchen 9 aus Wolframoxid oder Wolframcarbid. Im Vergleich zu dem Fall, in dem nur W-Teilchen (das heißt W-Atome) hinzugefügt werden, können Ag-Atome durch die Reduktion von Ag-Atomen auf einfache Weise um die W-Atome aggregiert werden.In the present embodiment, the additional particles 9 are made of tungsten oxide or tungsten carbide. Compared with the case where only W particles (ie, W atoms) are added, Ag atoms can be easily aggregated around the W atoms by the reduction of Ag atoms.

Wie es in den 6B und 6C gezeigt ist, wird außerdem bestätigt, dass nicht nur die Verhinderung der Verringerung der Verbindungsfestigkeit, sondern auch eine Verbesserung der Verbindungsfestigkeit erzielt werden, wenn das erste Verbindungselement 5 durch Hinzufügen der zusätzlichen Teilchen 9 zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird. Diesbezüglich wird vermutet, dass, wenn Ag-Atome sich um W-Atome ansammeln bzw. aggregieren, auch wenn ein klarer Mechanismus herausgefunden wurde, wie es in den 3B und 4B gezeigt ist, Mikroleerstellen V, die in dem Anfangszustand ausgebildet sind, eingegraben werden können.Like it in the 6B and 6C 1, it is also confirmed that when the first connecting member 5 is formed by adding the additional particles 9 to the Ag particles 8, not only the prevention of the reduction in the bonding strength but also the improvement in the bonding strength are achieved. In this regard, it is presumed that when Ag atoms aggregate around W atoms, although a clear mechanism has been found out as shown in Figs 3B and 4B as shown, microvoids V formed in the initial state can be buried.

Die mittlere Teilchengröße der zusätzlichen Teilchen 9, die hinzugefügt werden, ist vorzugsweise kleiner als der mittlere Teilchendurchmesser der Ag-Teilchen 8, so dass keine Leerstelle V zwischen den zusätzlichen Teilchen 9 und den Ag-Teilchen 8 ausgebildet wird. Auch wenn keine besondere Beschränkung dahingehend besteht, ist es vorteilhaft, die mittlere Teilchengröße der Ag-Teilchen 8 auf einen Bereich zwischen 1 µm und 10 µm festzulegen und den mittleren Teilchendurchmesser der zusätzlichen Teilchen 9 auf einen Bereich zwischen 0,1 µm und 3 µm festzulegen. Dadurch kann eine Ausbildung großer Leerstellen V zwischen den Ag-Teilchen 8 und den zusätzlichen Teilchen 9 in dem Anfangszustand verhindert werden, und es ist möglich, eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit zu verhindern.The average particle size of the additional particles 9 to be added is preferably smaller than the average particle diameter of the Ag particles 8 so that a void V is not formed between the additional particles 9 and the Ag particles 8 . Although not particularly limited, it is preferable to set the average particle size of the Ag particles 8 in a range of 1 μm to 10 μm and set the average particle diameter of the additional particles 9 in a range of 0.1 μm to 3 μm . Thereby, large voids V can be prevented from being formed between the Ag particles 8 and the additional particles 9 in the initial state, and it is possible to prevent a reduction in bonding strength.

Oben wurde die Konfiguration der Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform beschrieben. Man beachte, dass die ersten bis dritten Verbindungselemente 5 bis 7 wie folgt erzeugt werden. Das heißt, zunächst wird ein Pastenmaterial vorbereitet, in dem Ag-Teilchen 8 in ein Lösungsmittel wie beispielsweise Alkohol oder Ethylenglykol gemischt sind, und die zusätzlichen Teilchen 9, die eine kleinere mittlere Teilchengröße als die Ag-Teilchen 8 aufweisen, werden hinzugefügt und eingerührt. Nach dem Aufbringen der Paste, die die zusätzlichen Teilchen 9 enthält, auf einen vorbestimmten Abschnitt wird ein Sintern beispielsweise bei 280°C während einer Stunde bei Luft oder unter Stickstoff durchgeführt.The configuration of the semiconductor device of this embodiment has been described above. Note that the first to third connection elements 5 to 7 are generated as follows. That is, first, a paste material is prepared in which Ag particles 8 are mixed in a solvent such as alcohol or ethylene glycol, and the additional particles 9 having a smaller mean particle size than the Ag particles 8 are added and stirred. After applying the paste containing the additional particles 9 to a predetermined portion, sintering is performed at, for example, 280°C for 1 hour in air or in nitrogen.

Wie es oben beschrieben wurde, werden in der vorliegenden Ausführungsform die ersten bis dritten Verbindungselemente 5 bis 7 durch Hinzufügen der zusätzlichen Teilchen 9, die aus einem Oxid aus W oder einem Carbid aus W bestehen, zu den Ag-Teilchen 8 ausgebildet. Wie es in den 3A, 3B, 4A, 4B, 6B und 6C gezeigt ist, kann daher sogar dann, wenn die ersten bis dritten Verbindungselemente 5 bis 7 während einer langen Zeit auf einer hohen Temperatur gehalten werden, die Erzeugung von großen Leerstellen V in den ersten bis dritten Verbindungselementen 5 bis 7 verhindert werden. Daher wird verhindert, dass sich die Verbindungsfestigkeit der ersten bis dritten Verbindungselemente 5 bis 7 verringert, und es wird verhindert, dass die Verbindungselemente brechen.As described above, in the present embodiment, the first to third connecting members 5 to 7 are formed by adding the additional particles 9 made of an oxide of W or a carbide of W to the Ag particles 8 . Like it in the 3A , 3B , 4A , 4B , 6B and 6C 1, therefore, even if the first to third connection members 5 to 7 are kept at a high temperature for a long time, generation of large voids V in the first to third connection members 5 to 7 can be prevented. Therefore, the connection strength of the first to third connection members 5 to 7 is prevented from lowering and the connection members are prevented from being broken.

Als zusätzliche Teilchen 9 wird ein Oxid von W oder ein Additiv von W verwendet. Daher werden im Vergleich zu dem Fall, in dem nur die W-Teilchen als zusätzliche Teilchen 9 hinzugefügt werden, in den ersten bis dritten Verbindungselementen 5 bis 7 die Ag-Atome durch die Reduktion von Ag-Atomen auf einfache Weise um die W-Atome angesammelt.As the additional particles 9, an oxide of W or an additive of W is used. Therefore, compared to the case where only the W particles are added as the additional particles 9, in the first to third connecting members 5 to 7, the Ag atoms easily become around the W atoms by the reduction of Ag atoms accumulated.

Außerdem ist der mittlere Teilchendurchmesser der zusätzlichen Teilchen 9 kleiner als der mittlere Teilchendurchmesser der Ag-Teilchen 8. Daher können in dem Anfangszustand die ersten bis dritten Verbindungselemente 5 bis 7 eine Ausbildung von großen Leerstellen V zwischen den Ag-Teilchen 8 und den zusätzlichen Teilchen 9 verhindern und können die Verringerung der Verbindungsfestigkeit verhindern.In addition, the average particle diameter of the additional particles 9 is smaller than the average particle diameter of the Ag particles 8. Therefore, in the initial state, the first to third connecting members 5 to 7 can form large voids V between the Ag particles 8 and the additional particles 9 prevent and can prevent the reduction in connection strength.

(Weitere Ausführungsformen)(Further embodiments)

Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen oder Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet verschiedene Modifikationen und Variationen innerhalb des Äquivalenzbereiches. Zusätzlich zu den verschiedenen Kombinationen und Ausbildungen sind weitere Kombinationen und Ausbildungen einschließlich einem, mehr als einem oder weniger als einem Element innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung möglich.Although the present invention has been described with reference to the embodiments, it goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments or structures. The present invention includes various modifications and variations within the equivalent range. In addition to the various combinations and configurations, other combinations and configurations including one, more than one or less than one element are possible within the scope of the present invention.

In der ersten Ausführungsform wird W als ein Beispiel eines Metallatoms verwendet, das eine höhere Aggregationsenergie als ein Ag-Atom aufweist. Alternativ können andere Metallatome verwendet werden, solange wie die Aggregationsenergie höher als diejenige eines Ag-Atoms ist. Es wird angenommen, dass die Diffusion von Ag-Atomen verhindert wird, wenn die Aggregationsenergie höher als diejenige der Ag-Atome ist. Wie es in 5 gezeigt ist, können daher die zusätzlichen Teilchen 9 vorzugsweise Atome enthalten, die eine signifikant höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweisen, beispielsweise W, Niob (das heißt Nb), Molybden (das heißt Mo) und Vanadium (das heißt V). Alternativ können die zusätzlichen Teilchen 9 in der ersten Ausführungsform nur aus Metallatomen, aber nicht aus Oxiden oder Carbiden von Metallatomen bestehen, die eine höhere Aggregationsenergie als Ag-Atome aufweisen. Wenn die zusätzlichen Teilchen 9 ausgewählt werden, ist es vorteilhaft, ein Material auszuwählen, dessen Eigenschaften sich nicht groß ändern, wenn das Material mit den Ag-Atomen reagiert. Es wird beispielsweise angenommen, dass Chlor mit den Ag-Atomen reagiert und in einen Pulverzustand gelangt, so dass das Chlor nicht als Verbindungselement dient.In the first embodiment, W is used as an example of a metal atom having higher aggregation energy than Ag atom. Alternatively, other metal atoms can be used as long as the aggregation energy is higher than that of an Ag atom. It is considered that diffusion of Ag atoms is prevented when the aggregation energy is higher than that of Ag atoms. like it in 5 As shown, therefore, the additional particles 9 may preferably contain atoms having a significantly higher aggregation energy than Ag atoms, such as W, niobium (ie, Nb), molybdenum (ie, Mo), and vanadium (ie, V). Alternatively, in the first embodiment, the additional particles 9 may be composed only of metal atoms but not of oxides or carbides of metal atoms, which have higher aggregation energy than Ag atoms. When selecting the additional particles 9, it is advantageous to select a material whose properties do not change greatly when the material reacts with the Ag atoms. For example, it is assumed that chlorine reacts with the Ag atoms and becomes in a powder state, so that the chlorine does not serve as a connecting element.

Außerdem kann das zweite Wärmeabgabeelement 4 gemäß der ersten Ausführungsform auf dem Halbleiter-Chip 2 über dem dazwischenliegenden zweiten Verbindungselement 6 ohne Anordnung des Wärmeabgabeblockes 3 angeordnet sein. In diesem Fall entspricht das zweite Wärmeabgabeelement 4 einem leitenden Element.In addition, according to the first embodiment, the second heat releasing member 4 can be arranged on the semiconductor chip 2 via the second connection member 6 therebetween without arranging the heat releasing block 3 . In this case, the second heat releasing member 4 corresponds to a conductive member.

Außerdem können in der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform andere Konfigurationen geeignet geändert werden, solange wie mindestens eine Elektrode aus der Elektrode 21 der einen Oberfläche und der Elektrode 22 der anderen Oberfläche des Halbleiter-Chips 2 mit den leitenden Elementen 1, 3 über die Verbindungselemente 5, 6 verbunden ist.Also, in the semiconductor device according to the first embodiment, other configurations can be suitably changed as long as at least one of the one-surface electrode 21 and the other-surface electrode 22 of the semiconductor chip 2 is connected to the conductive members 1, 3 via the connection members 5 , 6 is connected.

Claims (4)

Halbleitervorrichtung, bei der ein Montageelement (2), das eine Elektrode (21, 22) aufweist, elektrisch und mechanisch mit einem leitenden Element (1, 3) über ein Verbindungselement (5, 6) verbunden ist, wobei die Halbleitervorrichtung aufweist: das Montageelement, das die Elektrode aufweist; das leitende Element, das der Elektrode zugewandt angeordnet ist; und das Verbindungselement, das zwischen dem Montageelement und dem leitenden Element angeordnet ist und die Elektrode und das leitende Element elektrisch und mechanisch miteinander verbindet, wobei das Verbindungselement aus einem gesinterten Körper besteht, bei dem ein zusätzliches Teilchen (9), das ein Metallatom enthält, das eine höhere Aggregationsenergie als ein Silberatom aufweist, zu einem Silberteilchen (8) hinzugefügt ist, und das zusätzliche Teilchen aus einem Oxid oder einem Carbid des Metallatoms besteht.A semiconductor device in which a mounting member (2) having an electrode (21, 22) is electrically and mechanically connected to a conductive member (1, 3) via a connecting member (5, 6), the semiconductor device comprising: the mounting member having the electrode; the conductive element arranged to face the electrode; and the connecting element, which is arranged between the mounting element and the conductive element and electrically and mechanically connects the electrode and the conductive element to one another, wherein the connecting member consists of a sintered body in which an additional particle (9) containing a metal atom having a higher aggregation energy than a silver atom is added to a silver particle (8), and the additional particle consists of an oxide or a carbide of the metal atom. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zusätzliche Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser aufweist, der kleiner als derjenige des Silberteilchens ist.semiconductor device claim 1 , wherein the additional particle has an average particle diameter smaller than that of the silver particle. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallatom mindestsens eines aus Wolfram, Molybdän, Niob oder Vanadium ist.semiconductor device claim 1 or 2 wherein the metal atom is at least one of tungsten, molybdenum, niobium or vanadium. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, die ein Montageelement (2), das eine Elektrode (21, 22) aufweist, ein leitendes Element (1, 3), das der Elektrode zugewandt ist, und ein Verbindungselement (5, 6) enthält, das zwischen dem Montageelement und dem leitenden Element angeordnet ist und die Elektrode und das leitende Element elektrisch und mechanisch verbindet, wobei das Verbindungselement aus einem gesinterten Körper besteht, bei dem ein zusätzliches Teilchen (9),das ein Metallatom enthält, das eine höhere Aggregationsenergie als ein Silberatom aufweist, zu einem Silberteilchen (8) hinzugefügt ist, und wobei das zusätzliche Teilchen aus einem Oxid oder Carbid des Metallatoms besteht, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen eines Pastenmaterials, in dem das zusätzliche Teilchen zum dem Silberteilchen hinzugefügt ist; Aufbringen des Pastenmaterials auf einen vorbestimmten Abschnitt der Halbleitervorrichtung; und Sintern des Pastenmaterials, um das Verbindungselement zu schaffen.A method of manufacturing a semiconductor device including a mounting member (2) having an electrode (21, 22), a conductive member (1, 3) facing the electrode, and a connecting member (5, 6) interposed between the mounting member and the conductive member and electrically and mechanically connecting the electrode and the conductive member, the connecting member consisting of a sintered body in which an additional particle (9) containing a metal atom having a higher aggregation energy than a silver atom is added to a silver particle (8) and the additional particle consists of an oxide or carbide of the metal atom, the method comprising: preparing a paste material in which the additional particle is added to the silver particle; applying the paste material to a predetermined portion of the semiconductor device; and Sintering the paste material to create the fastener.
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